Г.А.Ибадуллаев
Рабочие процессы в бензиновом ДВС со сверхвысокой степенью сжатия
Период задержки воспламенения и очаг пламени
При разряде тока между электродами свечи появляется искра. Явление подразумеваемое под термином «искра» представляет собой видимое глазу свечение нагретых до высоких температур (до 2000 С) молекул газа.
Нагревшиеся молекулы вступают в реакцию окисления. Реакция окисления молекул углеводорода молекулами кислорода сопровождается выделением большого количества тепла и нагреванием соседних с окисляемыми компонентами слоями. Под терминами «горение» и «пламя» подразумевается видимое глазу свечение нагретых до высоких температур компонентов процесса окисления.
Т.е., приведенные явления выражают суть видимого глазом процесса создания очага высокой температуры и распространения этой температуры по камере сгорания.
Часть топливно-воздушной смеси, охваченная устойчивым процессом окисления, является очагом пламени. Время, за которое очаг пламени возникает, называется периодом задержки воспламенения.
Распространение пламени по фронту
Чем меньше расстояние между молекулами и меньше разница температур между участком искрового разряда и окружающей смесью, тем лучше условия формирования очага пламени. Чем меньше разница температур между очагом пламени и окружающей смесью и выше давление, тем лучше происходит распространение пламени по фронту. Поэтому, чем выше степень сжатия смеси, тем перечисленные условия лучше.
После формирования очага пламени в камере сгорания двигателя возникают две области чрезвычайно контрастных физических состояний. Нагревание газов, примерно от 600* С до 2000* С в очаге пламени приводит к резкому увеличению их объема. Соответственно очаг и фронт пламени превращаются в область очень высокого давления (в дальнейшем область или зона пламени). Это приводит к возникновению со стороны области пламени волны давления и ударной волны. Скорость ударной волны на порядок выше, чем скорость распространения фронта пламени. Наряду с этим остальная часть камеры сгорания, занятая топливно-воздушной смесью остается областью низкого давления и температуры (в дальнейшем область или зона смеси).
Очаг пламени развивается в виде увеличивающегося в размерах огненного шара вокруг места искрового разряда. Соприкоснувшись со стенкой камеры сгорания, шар принимает форму полусферы. Затем соприкоснувшись с днищем поршня, полусфера деформируется, приобретает по краям плоскую цилиндрическую форму. Из-за этого при дальнейшем увеличении фронта пламени выделяемая энергия концентрируется по ее окружности, приобретает направленный в сторону стен цилиндра, кумулятивный характер.
Поскольку это явление сопровождается ростом давления в области смеси, направленная в сторону стенок цилиндра энергия движущейся волны давления и ударных волн, будет нарастать с эффектом сжимаемой пружины и вызовет в области смеси ответную волну сжатия. Волны, отражаясь от стен цилиндра, накладываются и усиливаются. На фоне общего повышения давления и температуры смеси на гребнях волн возникают микроучастки со значительно более высокими давлениями и температурами, которые достаточны для детонационного сгорания (в дальнейшем «микроучастки с детонационными давлениями и температурой»). Чтобы эти явления не привели к возникновению детонаций, давление в камере сгорания к концу такта сжатия должно быть довольно низким.
Микроучастки с детонационными давлениями и температурой появляются в области смеси в завершающей стадии такта сжатия и исчезают только с исчезновением области смеси. Такой отрезок такта сжатия в дальнейшем будет называться «завершением сжатия», а такта расширения «началом расширения». В координатах рабочего такта линия «начала расширения» и линия «полного распространения пламени по фронту» или «момент завершения распространения пламени по фронту» имеют одинаковую длину. Т.е. указанные термины выражают суть одного и того же процесса.
Таким образом, характер происходящих процессов требует совместить, казалось бы, несовместимые вещи. Чтобы улучшить процессы формирования очага пламени и его распространения по фронту, давление и температура смеси должны быть высокими. Чтобы не было детонаций, они должны быть относительно низкими.
После возникновения очага пламени и начала процесса распространения пламени по фронту область смеси подвергается воздействию противоположных факторов: а) Уменьшение в объеме за счет вовлечения в зону пламени (нейтральный фактор). б) Уменьшение в объеме за счет сжатия волной давления от области пламени (отрицательный). в) Уменьшение в объеме из-за сжатия на такте сжатия (отрицательный). г) Уменьшение в объеме из-за теплоотвода в стенки камеры сгорания (положительный). д) Увеличение в объеме из-за расширения камеры сгорания на такте расширения (положительный).
Если исключить положительные факторы, то окажется, что область пламени в период его увеличения на тактах сжатия и расширения содержит в себе одну общую причину, вызывающую детонации. Это- перепад давлений в зоне пламени и в зоне смеси. Перепад давлений вызывает волны давления и сжатия. Эксперименты показывают, что разница давлений и температур у основания и на гребнях волн очень значительна. Причем, интенсивность и эффективность процессов горения зависят исключительно от давления и температуры смеси у основания волн. Давления и температуры гребней волн, с одной стороны, никакого положительного влияния на характер происходящих процессов не оказывают. С другой стороны, они являются (поскольку нет детонаций) показателем наилучших условий, при которых могли бы происходить процессы горения. С третьей стороны, будучи способны нарушить нормальное прохождение процессов, они определяют низкие пороговые значения давления и температуры смеси у основания волн.
Устранение причины, вызывающей волны, позволило бы поднять давление и температуру области смеси до их значений на гребнях волн, что намного улучшило бы условия прохождения процессов горения.
Процесс возникновения самовоспламенения на сжатии выглядит следующим образом:
На такте сжатия происходит не просто уменьшение объема смеси, но и его перемещение от НМТ (нижняя мертвая точка) к ВМТ (верхняя мертвая точка). Из-за этого, наряду с вихревыми потоками вызванными процессом всасывания, в смеси возникают волнообразно колеблющиеся относительно друг друга слои, которые имеют разные давления и температуры. Т.е. возникают те же волны, только с меньшей амплитудой колебания и без сопровождения ударных волн.
По достижении в цилиндре определенного давления подается искра, формируется очаг пламени, начинается ввод тепла в рабочее тело. В какой степени ввод тепла на сжатии влияет на область смеси видно из расчетов для двигателя со степенью сжатия 9,9 при частоте работы 2200 об/мин, при полном наполнении, при температуре смеси на впускном клапане 65* С.
1. Угол начала ввода тепла 15* до ВМТ. В момент достижения поршнем ВМТ температура в камере сгорания 834*С, давление 33.2 кг/см2.
2. При угле ввода тепла в 0 градусов в момент достижения поршнем ВМТ температура смеси составляла 385* С, давление 19.5 кг/см2.
Т.е. увеличение температуры рабочего тела на 449* С и давления на 13.7 кг/см2 на такте сжатия получено за счет ввода тепла.
Это показывает, что наряду с приведенной выше общей причиной, способной вызвать детонации, в цилиндре двигателя на такте сжатия возникают еще две причины усиливающие этот процесс.
1. Ввод тепла на сжатии означает принудительное увеличение давления и температуры смеси для обеспечения лучших условий ее сгорания. Но вместе с тем это означает, что искусственным путем создаются и условия для возникновения детонаций.
2. Ввод тепла на сжатии способствует каталитическому сложению волн давления и сжатия создаваемых областью пламени и волн давления создаваемых процессом сжатия.
Этот явление выглядит следующим образом: путем ввода тепла на сжатии создается область пламени с волной давления. Волна давления от области пламени накладывается на волну создаваемую процессом сжатия. Насколько их взаимодействие либо исключение из процесса влияет на баротермическое состояние области смеси видно из примера: При работе с частотой в 2000 об/мин у серийного двигателя со степенью сжатия 9,9 при полном наполнении цилиндра оптимальная точка ввода тепла составляет 15* ПКВ (поворота коленчатого вала) до ВМТ. Давление конца сжатия в ВМТ составляет 32 кг/см2. При тех же условиях для моего двигателя со степенью сжатия 25 оптимальная точка ввода тепла составляет 0* ПКВ. Давление конца сжатия в ВМТ, поскольку перечисленные выше явления исчезли, составляет 60 кг/см2. При этих параметрах оба двигателя работают без детонаций.
Q 
Р 
b 
